隧道软弱围岩变形机制与控制技术研究

于丽副教授西南交通大学2014年7月隧道软弱围岩变形机制与控制技术一、绪论二、软弱围岩地质特征与工程影响评价三、隧道软弱围岩变形机制与变形规律研究四、软弱围岩隧道支护结构与围岩作用体系五、隧道软弱围岩变形控制技术研究六、隧道软弱围岩变形控制的工程实践内容提要一、绪论据统计，截止到2010年底，我国已经建成的铁路隧道总长度已经超过7000km，在建铁路隧道总长度已超过7500km，正在设计和规划建设的隧道总长度超过10000km。由此可见我国铁路隧道建设的总量已经远远领先世界其它国家，我国已经成为名副其实的隧道大国。但是，我国隧道的建设情况如何呢？一、绪论刚开通运营的张集铁路旧堡隧道，全长9585m，洞身主要通过太古界变质岩，因受多期地质构造运动作用，断裂构造极为发育，施工揭示的地层普遍发育隐性节理、断层、糜棱岩化破碎带、节理密集带等，将岩体切割成碎石状结构，围岩自稳性极差，遇水软化，变形量大，多次发生坍塌和变形侵限，严重制约工程进度，影响全线工期18个月。一、绪论襄渝二线新蜀河隧道，全长8989m。洞身穿越的主要岩性为石英云母片岩、石英云母片岩夹炭质片岩互层、炭质片岩等，在区域地质构造作用下，地层强烈扭曲揉皱，产生大量密集的节理和顺层摩擦镜面，岩体的整体性遭到严重破坏，施工过程中频繁出现严重变形、侵限、拆换、塌方、二衬开裂以及其他危及施工安全的现象，对该隧道的施工组织造成严重影响。一、绪论太中银铁路兴旺峁隧道，全长11070m，隧道上部覆盖为黄土，下面为砂岩，隧道洞身处于粉质黏土与砂泥岩界面附近，受土石界面处地下水的影响，围岩软化严重，局部地段还出现了大量涌水和流沙现象，发生了大量的变更设计，增加投资约2.8亿元。一、绪论正在建设的北同蒲四线雁门关隧道，全长14085m，洞身主要穿越为古老变质岩地层，受多期构造影响严重，岩体极破碎，黑云母变粒岩等岩体，遇水软化严重，围岩强度低，大部分为Ⅴ级围岩，变形量大，施工进度缓慢，现在已严重影响工程的工期。一、绪论在建的兰渝铁路桃树枰隧道，全长3220m，为第三系含水未成岩砂岩，自稳能力差，无胶结，稍有扰动即成松散粉状结构，呈流塑状，大部分为Ⅵ级围岩，平均每个工作面月进度不足15m，设置5座斜井，严重影响兰州铁路枢纽的运输过渡，投资也大大增加。一、绪论兰渝铁路的兰州至广元段共有66座隧道，总长343km，占该段线路总长的70%，本线主要分布有三套软岩地层，其中通过二叠系板岩、炭质板岩地层隧道长度16.7km，主要代表隧道有木寨岭、纸坊隧道；通过三叠系板岩地层隧道长度54.1km，主要影响哈达铺、马家山、同寨、青岗、新城子、毛羽山、天池坪等7座隧道；通过志留系千枚岩、炭质千枚岩地层隧道长度11.5km，主要影响两水、清水、鲁坝等隧道；这些软弱围岩隧道在施工过程中，变形量大，平均变形量在30～50cm，局部地段甚至超过100cm，多次进行拆换处理，施工进度缓慢，部分隧道发生塌方，安全风险大。一、绪论成（都）兰（州）铁路成都至哈达铺段，全长459km，其中设计隧道36座，长度323km，占正线总长的70%以上。该线主要地质问题是活动断裂多，软岩分布多，地应力高，岩溶发育。全线隧道以千枚岩、板岩为主，软岩地层占隧道总长的53%，高地应力软弱大变形问题将是成兰铁路的最突出难题。一、绪论在当前铁路隧道建设中问题最多、困难最大、风险最高的问题是软弱围岩隧道的施工问题。在建的7500km铁路隧道中，有大约30～40%属于软弱围岩，长度超过2500km，并且正在设计和规划修建的铁路隧道中，软弱围岩所占的比重更大，因此，解决软弱围岩隧道的设计和施工问题，是迫在眉睫的问题。一、绪论第一，满足工程需要，尽快解决当前大规模铁路建设中软弱围岩隧道变形控制的难题，为铁路建设服务。第二，从理论上进行深化研究，探索软弱围岩隧道变形的规律，揭示软弱围岩隧道变形的实质。第三，研究一套实用的、可有效控制软弱围岩隧道变形的技术措施，以指导以后类似工程的设计与施工。第四，总结形成“软弱围岩隧道变形控制机制和控制对策”的技术成果，提升我国隧道工程特别是软弱围岩隧道工程的整体技术水平。软弱围岩的含义及力学特性1981年在东京召开的“国际软岩学术讨论会”规定“软弱、破碎和风化岩石”为软岩。国际岩石力学学会(ISRM)定义：单轴抗压强度0.5~25MPa的岩石。何满潮：地质软岩和工程软岩分别予以定义；孙钧：引入“不稳定围岩”作为软岩的条件，“在高地应力、地下水和强风化作用下，具有显著渗流、膨胀、或崩解特性的软弱、破碎、风化和节理化围岩，简称为不稳定围岩岩体”。日本学者R.Yoshinaka分别对凝灰岩、粉砂岩、泥岩和砂岩等四种软岩进行了三轴固结不排水剪切试验，试验表明，尽管在高围压作用下变形模量呈非线性增加，但一旦屈服变形模量随轴向塑性应变呈指数衰减。一、绪论隧道围岩变形机理一、绪论——国内外研究现状围岩结构变形机理破坏机制研究分析方法整体状结构弹塑性变形剪切破坏、拉伸破坏连续介质力学块状结构结构面张开或闭合结构体沿结构面滑动块体滑移理论、统计岩体力学、离散元方法层状结构结构面张开或闭合；板、梁的弯曲弯折、溃曲、倾倒层状介质力学、结构力学碎裂状结构结构面张开或闭合结构体压密、松弛视连续介质力学散体结构塑性变形和剪切破坏塌方、底鼓、洞体收缩软弱围岩隧道支护作用理论20世纪初形成了古典压力理论-塌落拱理论，提出围岩具有自承能力。20世纪50年代以来，人们开始用弹塑性力学来解决隧道支护问题。20世纪60年代提出新奥法理念，一直到现在大部分工程仍采用。20世纪70年代提出了能量支护理论。20世纪80年代初意大利PietroLunardi通过三维空间分析，提出了岩土控制变形分析施工（ADECO-RS）工法。国内：于学馥提出“轴变论”理论、陆家梁等提出联合支护理论、孙钧等提出锚喷弧板支护理论、董方庭提出松动圈理论、方祖烈提出主次承载区支护理论、何满潮提出软弱围岩工程力学支护理论……一、绪论——国内外研究现状隧道软弱围岩变形控制技术我国公路隧道设计规范（GTJD70-2004）提出：可缩式钢架+高强度锚杆+及时仰拱，以抵抗膨胀压力，控制软岩变形。铁路隧道设计规范（TB10003-2005）提出：曲墙有仰拱+钢筋（或钢架）混凝土结构，采用圆形或近圆形的马蹄形断面控制膨胀软岩。早期工程实践中，应对软岩大变形普遍是反复扩挖……日本近期在东海道新干线的饭山隧道：多重支护，效果较好。瑞士等国家广泛采用U型钢可缩性支架进行隧道开挖初期支护……一、绪论——国内外研究现状典型软弱围岩隧道的工程案例陶恩隧道（1975年，长6.4km，埋深0.6～1km）穿越阿尔卑斯山的双向公路隧道：采用长锚杆（6～9m）+可缩钢架以及喷层预留纵向变形接缝等加强措施进行扩挖作业，取得成功。阿尔贝格隧道：厚20～25cm喷砼+可缩式钢架+6m长锚杆。日本惠那山双洞隧道：Ⅰ号隧道先修，大变形严重；Ⅱ号隧道：长锚杆（9～13.5m）+预留变形量（上50cm，下30cm）+钢纤维喷砼（厚25cm）+可缩式钢架+45cm厚二衬素砼，取得成功。我国南昆铁路家竹箐隧道、台湾北部第二高速公路木栅隧道、都灵铁路隧道、圣哥达隧道、襄渝二线新蜀河隧道、乌鞘岭特长隧道、木寨岭公路隧道……一、绪论——国内外研究现状隧道软弱围岩还没有一个清晰的概念。隧道软弱围岩变形机理有待进一步研究。对软弱围岩隧道变形控制的理念认识不统一。没有形成系统的变形控制设计理论。缺乏隧道变形值的控制标准。软岩隧道施工工法和工艺与采取的控制措施不配套。一、绪论——研究中存在的主要问题二、软弱围岩地质特征与工程影响评价软弱围岩的含义隧道软弱围岩就是用通常的初期支护及简易的小导管支护不能控制开挖后的围岩变形，而需要采用“有针对性的控制变形对策”（即所谓的辅助工法）的围岩。软弱围岩的地质特征（1）软弱围岩由于强度低，对工程扰动极其敏感，在受拉或受压条件下将产生塑性区，使围岩和支护发生变形。一旦施工方法和工程措施不当，将极易发生初期支护变形侵限和隧道坍方等工程灾害。（2）从隧道开挖后的围岩变形看，在软弱围岩中开挖，经常出现拱顶崩塌、掌子面失稳、底鼓现象严重、长时间的持续变形或变形不收敛、初期支护严重变异、在富水条件下出现异常涌水与围岩流失等。软弱围岩的变形特征（1）变形量大（2）初期变形速度快（3）变形持续时间长（4）围岩破坏范围大（5）压力增长快（6）变形破坏形式多样二、软弱围岩地质特征与工程影响评价软弱围岩的强度特征（1）软弱围岩的强度随岩石强度的降低而降低。当围岩的完整性及结构面特征恒定时，则围岩的强度和岩石强度呈线性变化。（2）当构成围岩的岩石强度恒定时，围岩强度随围岩的完整性系数减小而降低，即围岩越完整，围岩强度越接近岩石强度，围岩越破碎，围岩强度越小。（3）当围岩中存在控制性软弱结构面时，如存在断层、挤压破碎带，则围岩的强度受结构面产状与洞轴关系以及结构面强度两个因素的影响。（4）软弱围岩的强度受地下水影响较敏感，地下水对软弱围岩有显著的软化和泥化作用。二、软弱围岩地质特征与工程影响评价软弱围岩分类与分级——地质分级（工程地质手册）二、软弱围岩地质特征与工程影响评价软弱围岩分类与分级——软岩工程分类何满潮）二、软弱围岩地质特征与工程影响评价软弱围岩分类与分级——软岩工程分类名称概念岩性举例水敏型软岩遇水软化或解体的岩类黄土、粘土类岩，泥钙质胶结岩，片岩类岩结构型软岩易发生结构裂解的岩类层片状岩、半成岩弱胶结岩、泥钙质胶结岩应力型软岩强度低于应力的岩类各类中低强度岩（与赋存的应力场有关）伍法权研究员结合隧道施工现场发现的一些新的地质特征和破坏现象，提出了三类特殊类型软岩的概念。二、软弱围岩地质特征与工程影响评价软弱围岩分类与分级——铁路隧道软弱围岩等级划分建议表三、隧道软弱围岩变形机制与变形规律研究隧道围岩变形机制弹性变形材料变形塑性变形黏性变形结构面的张开/闭合变形围岩主要变形机制结构面的滑动变形块状围岩的滚动变形结构变形层状围岩的弯曲变形软弱夹层的挤出变形土砂围岩的挤密/松弛变形ijijijEE031(,,)01(,,)0pijijijijklklpijijijijklklklijklfdCdgffdCddA当时当时ddtσσσσσσσσστ三、隧道软弱围岩变形机制与变形规律研究隧道围岩变形规律——监控量测龟浦隧道变形监测大断面黄土隧道双侧壁导坑法施工拱顶沉降曲线隧道开挖方向掌子面超前变形在掌子面前方约1.5D处开始掌子面后方变形约在1-1.5D处收敛掌子面挤出变形掌子面挤出变形-5.18-3.18-1.180.822.824.826.820.002.004.006.008.0010.0012.0014.00挤出变形量（mm）掌子面高度（m）隧道拱顶位置隧道底板位置三、隧道软弱围岩变形机制与变形规律研究隧道围岩变形规律——数值模拟隧道纵剖面拱顶变形曲线掌子面挤出变形曲线拱顶沉降曲线-40-35-30-25-20-15-10-50-6-5-4-3-2-10123456隧道纵剖面位置，单位:D（D为隧道跨度）拱顶沉降值（mm）掌子面位置开挖方向不同等级围岩无支护状态下隧道纵向变形示意图三、隧道软弱围岩变形机制与变形规律研究隧道围岩变形规律——变形分布规律隧道开挖过程变形实态示意图三、隧道软弱围岩变形机制与变形规律研究隧道围岩变形规律——隧道断面尺寸对围岩变形的影响隧道断面尺寸对围岩结构的影响概念图不同断面尺寸对应的围岩结构、及其变形机制123412341234隧道断面尺寸围岩结构变形机制小断面隧道整体块状结构弹性、塑性、黏性变形较大断面隧道层状结构板、梁的弯曲；结构面张开或闭合大断面隧道块状结构岩块的滑动、滚动；结构面张开或闭合特大断面隧道碎裂结构碎块的塌落；